【正文】 光纖通信原理 第一章 概 述 光纖通信的發(fā)展與現(xiàn)狀 光纖通信的主要特性 光纖通信系統(tǒng)的組成和分類 光纖通信的發(fā)展與現(xiàn)狀 ? 早期的光通信 到了 1880年 ， 貝爾發(fā)明了第一個(gè)光電話 ， 這一大膽的嘗試 ， 可以說(shuō)是現(xiàn)代光通信的開(kāi)端 。 在這里 ， 將弧光燈的恒定光束投射在話筒的音膜上 ， 隨聲音的振動(dòng)而得到強(qiáng)弱變化的反射光束 ， 這個(gè)過(guò)程就是調(diào)制 。 圖 貝爾電話系統(tǒng) 貝爾光電話和烽火報(bào)警一樣 ， 都是利用大氣作為光通道 ， 光波傳播易受氣候的影響 ， 在大霧天氣 ， 它的可見(jiàn)度距離很短 ，遇到下雨下雪天也有影響 。 ? 在大氣光通信受阻之后 ， 人們將研究的重點(diǎn)轉(zhuǎn)入到地下光波通信的實(shí)驗(yàn) ， 先后出現(xiàn)過(guò)反射波導(dǎo)和透鏡波導(dǎo)等地下通信的實(shí)驗(yàn) ， 如圖 。 圖 反射波導(dǎo)和透鏡波導(dǎo) 1966年 ， 英籍華人高錕 (， 當(dāng)時(shí)工作于英國(guó)標(biāo)準(zhǔn)電信研究所 )博士深入研究了光在石英玻璃纖維中的嚴(yán)重?fù)p耗問(wèn)題 ，發(fā)現(xiàn)這種玻璃纖維引起光損耗的主要原因是其中含有過(guò)量的鉻 、 銅 、 鐵與錳等金屬離子和其他雜質(zhì) ， 其次是拉制光纖時(shí)工藝技術(shù)造成了芯 、 包層分界面不均勻及其所引起的折射率不均勻 ， 他還發(fā)現(xiàn)一些玻璃纖維在紅外光區(qū)的損耗較小 。 在高錕理論的指導(dǎo)下， 1970年美國(guó)的康寧公司拉出了第一根損耗為 20dB/km的光纖。 1 9 7 7 年 美 國(guó) 在 芝 加 哥 進(jìn) 行 了， 1978年 ， 日本開(kāi)始了 信實(shí)驗(yàn)； 1979年 ， 美國(guó) ATamp。T和日本 NTT均研制出了波長(zhǎng)為 ， 日本也做出了超低損耗的光纖 (損耗為， 波長(zhǎng)為 )， 同時(shí)進(jìn)行了多模光纖 (同時(shí)允許多個(gè)方向的光線在其中傳送的光纖 )試驗(yàn)。 到如今 ， 光纖通信已經(jīng)發(fā)展到以采用光放大器 (Optical Amplifier， OA)增加中繼距離和采用波分復(fù)用 ( Wavelength Division Multiplexing， WDM)增加傳輸容量為特征的第四代系統(tǒng) 。 光纖通信的主要特性 ? ? 1. 光纖通信是以光纖為傳輸媒介 ， 光波為載波的通信系統(tǒng) ， 其載波 — 光波具有很高的頻率 (約 1014Hz)， 因此光纖具有很大的通信容量 。 ? 2. 損耗低 、 目前 ， 實(shí)用的光纖通信系統(tǒng)使用的光纖多為石英光纖 ， 此類光纖在 區(qū)的損耗可低到 ， 比已知的其他通信線路的損耗都低得多 ， 因此 ， 由其組成的光纖通信系統(tǒng)的中繼距離也較其它介質(zhì)構(gòu)成的系統(tǒng)長(zhǎng)得多 。 如果今后采用非石英光纖 ， 并工作在超長(zhǎng)波長(zhǎng) (＞ 2μm)， 光纖的理論損耗系數(shù)可以下降到 103～ 105dB/km， 此時(shí)光纖通信的中繼距離可達(dá)數(shù)千 ， 甚至數(shù)萬(wàn)公里 。 ? 3. 我們知道 ， 電話線和電纜一般是不能跟高壓電線平行架設(shè)的 ， 也不能在電氣鐵化路附近鋪設(shè) 。 ? 4. 對(duì)通信系統(tǒng)的重要要求之一是保密性好 。然而 ， 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 ， 電通信方式很容易被人竊聽(tīng)：只要在明線或電纜附近(甚至幾公里以外 )設(shè)置一個(gè)特別的接收裝置 ， 就可以獲取明線或電纜中傳送的信息 。更不用去說(shuō)無(wú)線通信方式 。 ? 5. 體積小 ， ? 6. ? 事物都是一分為二的 ， 光纖通信有許多優(yōu)點(diǎn) ， 因而發(fā)展很快 ， 但光纖通信也有以下缺點(diǎn) 。 ? 1. ? 2. ? 3. 光纖通信系統(tǒng)的組成和分類 ? 光纖通信系統(tǒng)是以光纖為傳輸媒介 ，光波為載波的通信系統(tǒng) 。 主要由光發(fā)送機(jī) 、光纖光纜 、 中繼器和光接收機(jī)組成 。 系統(tǒng)中光發(fā)送機(jī)的作用是將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào) ， 并將生成的光信號(hào)注入光纖 。光發(fā)送機(jī)一般由驅(qū)動(dòng)電路 、 光源和調(diào)制器構(gòu)成 ， 如果是直接強(qiáng)度調(diào)制可以省去調(diào)制器 ， 這些將在后續(xù)章節(jié)中詳細(xì)介紹 。 光接收機(jī)的作用是將光纖送來(lái)的光信號(hào)還原成原始的電信號(hào) 。 它一般由光電檢測(cè)器和解調(diào)器組成 ， 對(duì)于直接強(qiáng)度調(diào)制解調(diào)器可以省略 。 光纖的作用是為光信號(hào)的傳送提供傳送媒介 (信道 )， 將光信號(hào)由一處送到另一處 。 中繼器分為電中繼器和光中繼器 (光放大器 )兩種 ， 其主要作用就是延長(zhǎng)光信號(hào)的傳輸距離 。 ? 根據(jù)調(diào)制信號(hào)的類型，光纖通信系統(tǒng)可以分為模擬光纖通信系統(tǒng)和數(shù)字光纖通信系統(tǒng)。 根據(jù)光源的調(diào)制方式 ， 光纖通信系統(tǒng)可以分為直接調(diào)制光纖通信系統(tǒng)和間接調(diào)制光纖通信系統(tǒng) 。 根據(jù)光纖的傳導(dǎo)模數(shù)量，光纖通信系統(tǒng)可以分為多模光纖通信系統(tǒng)和單模光纖通信系統(tǒng)。 根據(jù)系統(tǒng)的工作波長(zhǎng) ， 光纖通信系統(tǒng)可分為短波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng) 、 長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng)和超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖通信系統(tǒng) 。 第二章 光纖和光纜 光纖作為光纖通信系統(tǒng)的物理傳輸媒介 ， 有著巨大的優(yōu)越性 。 本章首先介紹光纖的結(jié)構(gòu)與類型 ， 然后用射線光學(xué)理論和波動(dòng)光學(xué)理論重點(diǎn)分析光在階躍型光纖中的傳輸情況 ， 最后簡(jiǎn)要介紹光纜的構(gòu)造 、 典型結(jié)構(gòu)與光纜的型號(hào) 。 光纖的結(jié)構(gòu)與類型 光纖的射線理論分析 均勻光纖的波動(dòng)理論分析 光 纜 光纖的結(jié)構(gòu)與類型 ? 光纖 (Optical Fiber， OF)就是用來(lái)導(dǎo)光的透明介質(zhì)纖維 ， 一根實(shí)用化的光纖是由多層透明介質(zhì)構(gòu)成的 ， 一般可以分為三部分：折射率較高的纖芯 、 折射率較低的包層和外面的涂覆層 ， 如圖 。 圖 光纖結(jié)構(gòu)示意圖 ? 光纖的分類方法很多 ， 既可以按照光纖截面折射率分布來(lái)分類 ， 又可以按照光纖中傳輸模式數(shù)的多少 、 光纖使用的材料或傳輸?shù)墓ぷ鞑ㄩL(zhǎng)來(lái)分類 。 ? 1. 按光纖截面上折射率分布分類 按照截面上折射率分布的不同可以將光纖分為階躍型光纖 (StepIndex Fiber，SIF)和漸變型光纖 (GradedIndex Fiber，GIF)， 其折射率分布如圖 。 圖 光纖的折射率分布 光纖的折射率變化可以用折射率沿半徑的分布函數(shù) n(r)來(lái)表示 。 ? 2. 按光纖中傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)量 ， 可以將光纖分為多模光纖 (MultiMode Fiber， MMF)和單模光纖 (Single Mode Fiber， SMF)。 在一定的工作波上 ， 當(dāng)有多個(gè)模式在光纖中傳輸時(shí) ， 則這種光纖稱為多模光纖 。 單模光纖是只能傳輸一種模式的光纖 ，單模光纖只能傳輸基模 (最低階模 )， 不存在模間時(shí)延差 ， 具有比多模光纖大得多的帶寬 ， 這對(duì)于高碼速傳輸是非常重要的 。 ? 3. 按光纖的工作波長(zhǎng)可以將光纖分為短波長(zhǎng)光纖 、 長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖和超長(zhǎng)波長(zhǎng)光纖 。 ? 4. 按 ITUT 按照 ITUT關(guān)于光纖類型的建議 ， 可以將光纖分為 (漸變型多模光纖 )、 (常規(guī)單模光纖 )、 (色散位移光纖 )、 (截止波長(zhǎng)光纖 )和(非零色散位移光纖 )光纖 。 按套塑 (二次涂覆層 )可以將光纖分為松套光纖和緊套光纖 。 現(xiàn)在實(shí)用的石英光纖通常有以下三種：階躍型多模光纖 、 漸變型多模光纖和階躍型單模光纖 。 光纖的射線理論分析 ? 光在均勻介質(zhì)中是沿直線傳播的 ， 其傳播速度為 v=c/n 式中： c＝ 105km/s， 是光在真空中的傳播速度； n是介質(zhì)的折射率 (空氣的折射率為 ， 近似為 1；玻璃的折射率為 )。 反射定律：反射光線位于入射光線和法線所決定的平面內(nèi) ， 反射光線和入射光線處于法線的兩側(cè) ， 并且反射角等于入射角 ， 即： θ1′＝ θ1。 折射定律 ：折射光線位于入射光線和法線所決定的平面內(nèi) ， 折射光線和入射光線位于法線的兩側(cè) ， 且滿足： n1sinθ1=n2sinθ2 ? 一束光線從光纖的入射端面耦合進(jìn)光纖時(shí) ， 光纖中光線的傳播分兩種情形：一種情形是光線始終在一個(gè)包含光纖中心軸線的平面內(nèi)傳播 ， 并且一個(gè)傳播周期與光纖軸線相交兩次 ， 這種光線稱為子午射線 ，那個(gè)包含光纖軸線的固定平面稱為子午面；另一種情形是光線在傳播過(guò)程中不在一個(gè)固定的平面內(nèi) ， 并且不與光纖的軸線相交 ，這種光線稱為斜射線 。 ? 1. 子午射線在階躍型光纖中的傳播 階躍型光纖是由半徑為 a、 折射率為常數(shù) n 1的纖芯和折射率為常數(shù) n2的包層組 成 ， 并且 n1n2， 如圖 。 圖 光線在階躍型光纖中的傳播 ? 2. 子午射線在漸變型光纖中的傳播 漸變型光纖與階躍型光纖的區(qū)別在于其纖芯的折射率不是常數(shù) ， 而是隨半徑的增加而遞減直到等于包層的折射率 。 ? 3. 子午射線的傳播過(guò)程始終在一個(gè)子午面內(nèi) ， 因此可以在二維的平面內(nèi)來(lái)分析 ，很直觀 。 ? ? 1. 模式是波動(dòng)理論的概念 。 在波動(dòng)理論中 ， 一種電磁場(chǎng)的分布稱之為一個(gè)模式 。在射線理論中 ， 通常認(rèn)為一個(gè)傳播方向的光線對(duì)應(yīng)一種模式 ， 有時(shí)也稱之為射線模式 。 ? 2. 光纖中光波相位的變化情況如圖 示 ， 在這里以階躍型光纖為例來(lái)討論光纖的相位一致條件 ， 不作復(fù)雜的數(shù)學(xué)推導(dǎo) ，只提及波動(dòng)光學(xué)中的基本觀點(diǎn)和結(jié)論 。 圖 光纖中光波相位的變化情況 相位一致條件就是說(shuō)：如果圖中所示的這個(gè)模式在 A、 B處相位相等 ， 則經(jīng)過(guò)一段傳播距離后 ， 在 A′、 B′處也應(yīng)該相位相等或相差 2π的整數(shù)倍 。 光纖的相位一致條件也可以從另外一個(gè)角度出發(fā)得到 。 根據(jù)物理學(xué)的知識(shí)可知：波在無(wú)限空間中傳播時(shí) ， 形成行波；而在有限空間傳播時(shí) ， 形成駐波 。 一旦確定了光波導(dǎo)和光波長(zhǎng) ， 那么 nn 纖芯直徑 2a以及真空中光的傳播常數(shù)k0也就確定了 ， 而且式 (217)中的最大 N值也就確定了 。 對(duì)于漸變型多模光纖 ， 同樣 ， 其導(dǎo)模不僅要滿足全反射條件 ， 還要滿足相位一致條件 。 在漸變型多模光纖中 ， 低階模由于靠近光纖軸線 ， 其傳播路程短 ， 但靠近軸線處的折射率大 ， 該處光線傳播速度慢；高階模遠(yuǎn)離軸線 ， 它的傳播路程長(zhǎng) ， 但離軸線越遠(yuǎn)折射率越小 ， 該處光線的傳播速度越快 。 ? 多模光纖和單模光纖是由光纖中傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)決定的 ， 判斷一根光纖是不是單模傳輸 ， 除了光纖自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)外 ， 還與光纖中傳輸?shù)墓獠ㄩL(zhǎng)有關(guān) 。 為了描述光纖中傳輸?shù)哪Ｊ綌?shù)目，在此引入一個(gè)非常重要的結(jié)構(gòu)參數(shù)，即光纖的歸一化頻率，一般用 V表示，其表達(dá)式如下： ? 1. 顧明思義 ， 多模光纖就是允許多個(gè)模式在其中傳輸?shù)墓饫w ， 或者說(shuō)在多模光纖中允許存在多個(gè)分離的傳導(dǎo)模 。 ? 2. 只能傳輸一種模式的光纖稱為單模光纖 。 單模光纖只能傳輸基模 (最低階模 )，它不存在模間時(shí)延差 ， 因此它具有比多模光纖大得多的帶寬 ， 這對(duì)于高碼速傳輸是非常重要的 。 單模光纖的帶寬一般都在幾十 GHzkm以上 。 均勻光纖的波動(dòng)理論分析 ? 平面波在理想介質(zhì)中的傳播 ? 1. 所謂均勻平面波是指在與傳播方向垂直的無(wú)限大的平面上 ， 電場(chǎng)強(qiáng)度 E和磁場(chǎng)強(qiáng)度 H的幅度和相位都相等的波型 ， 簡(jiǎn)稱為平面波 。 平面波是非常重要的波型，一些復(fù)雜的波可以由平面波疊加得到。在折射率為 n的無(wú)限大的介質(zhì)中，一工作波長(zhǎng)為 λ0的平面波在其中傳播，其波數(shù)為： 式中： k0是真空中的波數(shù) ， ω是光的角頻率 ， μ和 ε分別是介質(zhì)的導(dǎo)磁率和介電常數(shù) ,設(shè)平面波傳播方向的單位矢量為 as，則 k = ask 稱為平面波在該介質(zhì)中的波矢量 。 ? 2. 平面波在介質(zhì)分界面上的反射和折射 反射波與入射波在原點(diǎn)處的復(fù)振幅之比稱為反射系數(shù)；傳遞波與入射波在原點(diǎn)處的復(fù)振幅之比稱為傳遞系數(shù) ， 表示為： 式中： R、 T都是復(fù)數(shù) ， 包括大小及相位 。 其模值分別表示反射波 、 傳遞波與入射波幅度的大小之比； 2Ф 2Ф2是 R和 T的相角 ， 分別表示在介質(zhì)分界面上反射波 、傳遞波比入射波超前的相位 。 ? 3. 全反射是一種重要的物理現(xiàn)象，當(dāng)光波從光密介質(zhì)射入光疏介質(zhì)，且入射角大于臨界角時(shí)才能產(chǎn)生全反射，即全反射必須滿足： n1n2， θcθ190 ? (1) 全反射情況時(shí)介質(zhì) 1 在全反射時(shí)，式 (232)根號(hào)中是負(fù)數(shù)，因此可以變化成下面的形式。 ? (2) 全反射情況時(shí)介質(zhì) 2 全反射時(shí) ， 將式 (234)代入式 (230b)，即可得到垂直極化波全反射時(shí)的傳遞系數(shù) 。 ? (3) 導(dǎo)行波和輻射波的概念 綜上所述 ， 當(dāng)平面波由光密介質(zhì)射向兩介質(zhì)分界面